合肥綜合性國家科學(xué)中心能源院（安徽能源實驗室）與合肥中能大友能源技術(shù)有限公司聯(lián)合研發(fā)的100kW級質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫測試設(shè)備，近日正式投入應(yīng)用。該設(shè)備基于高精度制氫多場耦合控制技術(shù)，專為解決商業(yè)化大功率PEM電解槽測試中的核心難題而設(shè)計，涵蓋電流密度、溫度、壓力的強耦合性，動態(tài)響應(yīng)的高要求，以及安全性保障等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
在“雙碳”目標背景下，綠氫被視為深度脫碳的關(guān)鍵載體。PEM電解水技術(shù)憑借其效率高、響應(yīng)快、負荷范圍寬等優(yōu)勢，成為適配風(fēng)電、光伏等波動性可再生能源的理想制氫路徑。然而，從實驗室規(guī)模（kW級）邁向產(chǎn)業(yè)化規(guī)模（MW級）的過程中，電解槽的耐久性和成本控制仍是主要瓶頸。其性能衰減與材料在高電流密度、高壓、高溫及頻繁啟停等復(fù)雜工況下的失效機制密切相關(guān)。因此，開發(fā)一套既能精準模擬產(chǎn)業(yè)化環(huán)境，又具備實驗室級分析精度的測試平臺，對材料篩選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和壽命預(yù)測具有重要價值。
該測試設(shè)備的核心價值不僅在于滿足相關(guān)標準和設(shè)計規(guī)范，更在于超越傳統(tǒng)性能測試功能。其設(shè)計目標不僅是驗證電解槽的性能指標，還充當“材料工況行為解析器”，通過精確控制實驗邊界條件，建立宏觀性能輸出與微觀材料演化之間的因果關(guān)系，提供高質(zhì)量的失效分析數(shù)據(jù)。設(shè)備集成了高精度流體控制、多場協(xié)同控制策略和多級安全聯(lián)鎖與數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，最高實驗壓力可達10MPa。通過高精度溫度梯度控制（±0.5°C）、去離子水水質(zhì)在線監(jiān)測（≤0.1 μS/cm）、壓力控制（背壓精度<±0.5%F.S.）及電化學(xué)參數(shù)（電壓采集精度≤2mV）的極致控制，以及毫秒級快速啟停邏輯，實現(xiàn)了對電解槽內(nèi)部反應(yīng)界面（三相界面）狀態(tài)的精準模擬與調(diào)控，為研究PEM電解槽及其關(guān)鍵材料在擬工業(yè)化工況下的性能衰減機理提供了可靠的研發(fā)與驗證平臺。
從技術(shù)實現(xiàn)來看，該設(shè)備采用模塊化設(shè)計，核心子系統(tǒng)包括循環(huán)加熱與供給單元、氮氣吹掃單元、氫側(cè)與氧側(cè)管理單元、外置純化單元以及電源與數(shù)據(jù)采集單元。其中，高精度熱管理與水質(zhì)控制單元通過多級溫度控制策略和A級精度熱電偶，實現(xiàn)RT+5°C-90°C范圍內(nèi)±1°C的控制精度，有效抑制了熱循環(huán)導(dǎo)致的膜電極組件（MEA）各層材料間熱機械應(yīng)力失效。同時，采用“過濾器+去離子器”組合的水質(zhì)管控系統(tǒng)，確保進入電解槽的水質(zhì)電阻率≥10 MΩ·cm，避免了離子對Nafion?膜和催化劑的毒化與腐蝕，確保觀測到的性能衰減源于材料本征退化。
氫/氧側(cè)氣液分離與背壓控制單元通過高效氣液分離罐和高精度氣動背壓閥，實現(xiàn)0.5-10MPa范圍內(nèi)±0.5%F.S.的壓力控制精度，為研究高壓差對PTL孔結(jié)構(gòu)、催化層附著性及氣體交叉滲透行為的影響提供了關(guān)鍵工具。全方位安全聯(lián)鎖與樣本保護系統(tǒng)則通過超過50個高精度傳感器和毫秒級緊急停機響應(yīng)，防止因反極或氣體交叉導(dǎo)致的不可逆災(zāi)難性失效，為測試后的MEA事后分析保留了完整樣本。
高精度電性能監(jiān)測與診斷單元通過450kW直流電源和多通道電壓巡檢儀（CVM），實現(xiàn)電流/電壓控制精度≤0.5%F.S.和單通道測量精度≤2mV，可精準定位催化劑涂布不均、膜厚不均或局部阻塞導(dǎo)致的性能薄弱點，為離線材料分析提供明確指向。
在實際應(yīng)用中，該設(shè)備可執(zhí)行多種高級測試協(xié)議。例如，在材料篩選與優(yōu)化環(huán)節(jié)，可在相同的苛刻工況下（如90°C、3.0 MPa、2.0 A/cm2）對比不同MEA的初始性能與衰減速率；在加速應(yīng)力測試中，通過設(shè)計頻繁啟停、負載循環(huán)等動態(tài)工況，針對性加速催化層腐蝕或膜化學(xué)降解等特定失效機制；在失效機理研究中，通過消除外部變量干擾，確保性能衰減數(shù)據(jù)的高重復(fù)性與可歸因性，為拆解后的MEA進行SEM、TEM、XPS等表面分析提供可靠依據(jù)。
